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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
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Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzug, 1. Aufl., 2010, S. 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), d. h. mit Yttriumoxid dotiertes Zirkoniumdioxid, und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid enthalten können.
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Eine Lambdasonde soll möglichst bald nach Motorstart eingeschaltet werden können, um die Schadstoffemissionen möglichst frühzeitig im Betrieb reduzieren zu können. Ein limitierender Faktor für das frühzeitige Einschalten ist derzeit die Belastung durch anfliegendes Kondenswasser, das bei Auftreffen auf die heiße Keramik des Sensorelements der Lambdasonde zu starker Auskühlung und damit zu starken Zugspannungen in der Keramik bis hin zum Bruch der Keramik führt. Um dies zu verhindern wird einerseits eine gewisse Zeit nach Motorstart gewartet, bis die Wasserlast ein kritisches Niveau unterschritten hat, zum anderen wird die Sensorkeramik durch eine zusätzliche Thermoschockschutzschicht geschützt. Diese im Vergleich zum Sensorelement selbst stark poröse Keramikschicht wird nach dem Sintern des Sensorelements beispielsweise mittels Plasmasprühprozessen aufgebracht und umgibt den sensiblen heißen Bereich des Sensorelements vollständig. Das poröse Material der Thermoschockschutzschicht ist durch sein geringeres E-Modul sowie die Fähigkeit, kleinste Risse ohne Funktionseinbuße aufzunehmen zu können, widerstandsfähiger gegenüber Wasserbelastungen.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten dies noch Verbesserungspotenzial. Die Porosität der Thermoschockschutzschicht, die zwar die oben genannten mechanischen Vorteile bietet, begünstigt allerdings gleichzeitig ein Eindringen des Wassers in die Thermoschockschutzschicht, wodurch dieses im ungünstigsten Fall nun doch bis zum Sensorelement selbst dringen und dieses schädigen kann. Eine Obergrenze für die Schichtdicke der Thermoschockschutzschicht ist durch die zusätzliche thermische Masse derselben gegeben, die dazu führt, dass das Sensorelement mit mehr Energie und damit mit inneren thermomechanischen Spannungen belastet werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensoren und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere die Vorteile einer porösen, thermisch isolierenden und mechanisch robusten Schicht mit einer wasserabweisenden Eigenschaft der Außenhaut der Thermoschockschutzschicht kombinieren.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens ein Sensorelement, das mindestens einen Festelektrolyten mit mindestens einem Funktionselement aufweist, wobei der Festelektrolyt aus mindestens einem keramischen Material hergestellt ist, und eine Thermoschockschutzschicht, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt, wobei die Thermoschockschutzschicht eine poröse Schicht und eine verdichtete Schicht aufweist.
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Die verdichtete Schicht kann auf einer dem Sensorelement abgewandten Seite der porösen Schicht angeordnet sein. Die verdichtete Schicht kann abschnittsweise auf der porösen Schicht angeordnet sein. Die poröse Schicht und die verdichtete Schicht können aus demselben Material hergestellt sein. Die verdichtete Schicht kann durch teilweises Aufschmelzen der porösen Schicht hergestellt sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen mindestens eines Sensorelements, das mindestens einen Festelektrolyten mit mindestens einem Funktionselement aufweist, wobei der Festelektrolyt aus mindestens einem keramischen Material hergestellt ist, und
- – Aufbringen einer Thermoschockschutzschicht derart, dass die Thermoschockschutzschicht das Sensorelement zumindest teilweise umgibt, wobei die Thermoschockschutzschicht so aufgebracht wird, dass die Thermoschockschutzschicht eine poröse Schicht und eine verdichtete Schicht aufweist.
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Die verdichtete Schicht kann dabei durch Aufschmelzen der porösen Schicht hergestellt werden. Die poröse Schicht kann zum Aufschmelzen mittels eines Laserstrahls bestrahlt werden. Der Laserstrahl kann lang gepulst werden. Die verdichtete Schicht kann auf einer dem Sensorelement abgewandten Seite der porösen Schicht angeordnet werden.
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Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden.
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Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Referenzgaskanal, Heizelement, Nernstzelle und Pumpzelle. Insbesondere sind darunter diejenigen Elemente zu verstehen, die die wesentlichen chemischen und/oder physikalischen und/oder elektrischen und/oder elektrochemischen Funktionen einer Lambdasonde erfüllen.
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Unter einer Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine poröse keramische Schutzschicht zu verstehen, die geeignet ist, durch mechanische und/oder thermische Entkopplung die durch die Temperaturgradienten auftretenden Spannung in der Sondenkeramik zu verringern. Sensorelemente, wie beispielsweise Lambdasonden, mit einer derartigen Schutzschicht vertragen im beheizten Zustand also eine gewisse Tropfengröße an Kondenswasser, ohne beschädigt zu werden. Die Schutzschicht wird üblicherweise in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf das Sensorelement aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Spinell (MgAl2O4), und Auftragtechniken, wie beispielsweise Sprüh- oder Tauchprozesse, sind hierfür im Einsatz. Beispielsweise ist bekannt, eine gleichmäßig dicke Thermoschockschutzschicht aus porösem Aluminiumoxid mittels atmosphärischen Plasmaspritzens aufzubringen. Mit einem derartigen thermischen Beschichtungsprozess werden eingebrachte Partikel aufgeschmolzen und auf die Festelektrolytoberfläche beschleunigt, so dass die Thermoschockschutzschicht auf der ganzen Festelektrolytoberfläche aufgetragen wird. Diese vermindert im Niedertemperaturbereich, d. h. in einem Temperaturbereich von ungefähr 300 °C bis 400 °C, durch seine begrenzte Permeabilität den Wasserzutritt zum Festelektrolyten des Sensorelements, der zumindest teilweise aus Zirkoniumdioxid hergestellt ist, und begrenzt im Hochtemperaturbereich, d. h. in einem Temperaturbereich von ungefähr 400 °C bis 600 °C, die Abkühlung über Wärmeleitung. Bei höheren Temperaturen verhindert der Leidenfrost-Effekt die Abkühlung. Die Thermoschockschutzschicht kann auf der dem Messgasraum aussetzbaren Oberfläche des Festelektrolyten angeordnet sein.
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Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse von flächenhafter Ausdehnung mit einer gewissen Höhe zu verstehen, die sich auf, zwischen, unter oder über anderen Bauteilen befinden kann.
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Unter einer porösen Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht mit einer Porosität von mindestens 20 % zu verstehen. Unter Porosität ist dabei das Verhältnis von Hohlräumen eines Gegenstands, insbesondere einer Schicht, zu dessen Gesamtvolumen zu verstehen.
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Unter einer verdichteten Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die aufgrund einer Verdichtung eine Porosität von nicht mehr als 20 % aufweist. Eine derartige Verdichtung kann durch eine Behandlung realisiert sein, insbesondere eine thermische Behandlung. Dabei verringert sich das Volumen der Hohlräume stärker als das Gesamtvolumen des Gegenstands, insbesondere der Schicht.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist das Aufbringen einer möglichst hochporösen keramischen Schicht, d.h. einer Schicht mit einer technisch möglichst hohen Porosität, und diese keramische Schicht nachträglich mittels eines Langpulslasers thermisch zu verdichten, so dass eine dünne, sehr dichte Schicht auf der porösen Thermoschockschutzschicht erzeugt wird. Im Gegensatz zu Kurzpulslasern, die ein bei ihrem Einsatzbereich gewünschtes Materialabtragen ohne nennenswerten Energieeintrag erlauben, führen längerpulsige Laser, d. h. solche mit einer Pulsdauer von mehr als 1 ns, dazu, dass das poröse keramische Material zum Teil aufgeschmolzen wird und beim Wiedererkalten eine dichtere Struktur aufweist. Genau dieser Effekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu genutzt, die oberste Schicht einer porösen Thermoschockschutzschicht nachzuverdichten. Die nachverdichtete Schicht verhindert ein Eindringen des Wassers, während die darunterliegende, weiterhin poröse Schicht den thermischen und mechanischen Schutz gegenüber Auskühlung bietet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Herstellen einer verdichteten Schicht,
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2 eine Querschnittsansicht des Sensors nach dem Herstellen einer verdichteten Schicht und
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3 eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 10 ist zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, ausgebildet. Der in 1 dargestellte Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
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Der Sensor 10, der als planare Lambdasonde ausgeführt sein kann, weist ein Sensorelement 12 auf. Das Sensorelement 12 weist einen Festelektrolyten 14 auf. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Bei dem Festelektrolyten 14 kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyten 14 handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid, das geringe Zusätze an Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid enthalten kann. Der Festelektrolyt 14 weist mindestens ein Funktionselement 16 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Festelektrolyt 14 beispielsweise eine erste Elektrode 18 und eine zweite Elektrode 20 auf. Die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 20 können Cermetelektroden oder Edelmetallelektroden sein, wie beispielsweise Platinelektroden. Auch eine Ausführung als Platin-Cermet-Elektrode ist möglich. Des Weiteren weist das Sensorelement 12 ein nicht näher gezeigtes Heizelement auf. Die erste Elektrode 18 ist auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Oberfläche 22 des Festelektrolyten 14 angeordnet. Die zweite Elektrode 20 ist im Inneren des Festelektrolyten 14 angeordnet. Beispielsweise bilden der Festelektrolyt 14, die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 20 eine sogenannte Nernstzelle. Der Sensor 10 weist weiterhin eine Thermoschockschutzschicht 24 auf.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10. Erfindungsgemäß wird die Thermoschockschutzschicht 24 derart behandelt, dass die Thermoschockschutzschicht 24 eine poröse Schicht 26 und eine verdichtete Schicht 28 aufweist. 1 zeigt somit den Sensor 10 vor dem Herstellen der verdichteten Schicht 28 und 2 zeigt den Sensor nach dem Herstellen der verdichteten Schicht 28. Die verdichtete Schicht 28 ist auf einer dem Sensorelement 12 abgewandten Seite 30 der porösen Schicht 26 angeordnet. Die verdichtete Schicht 28 ist beispielsweise vollständig an einer Außenseite der porösen Schicht 26 angeordnet, so dass diese eine Art Mantel der porösen Schicht 26 bildet. Die poröse Schicht 26 und die verdichtete Schicht 28 sind aus demselben Material hergestellt. Dabei wird die verdichtete Schicht 28 durch teilweises Aufschmelzen der porösen Schicht 28 hergestellt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
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Zum Herstellen des Sensors 10 wird das Sensorelement 12 in an sich bekannter Weise bereitgestellt und kann bereits den Festelektrolyten 14 mit dem Funktionselement 16 aufweisen. Auf das Sensorelement 12 wird die Thermoschockschutzschicht 24 aufgebracht, beispielsweise mittels eines Plasmasprühprozesses oder Tauchprozesses. Die Thermoschockschutzschicht 24 weist in diesem Stadium zunächst nur die poröse Schicht 26 auf. Die verdichtete Schicht 28 wird durch Aufschmelzen der porösen Schicht 26 hergestellt. Die poröse Schicht 26 wird zum Aufschmelzen mittels eines Laserstrahls bestrahlt. Der Laserstrahl wird dabei lang gepulst, d. h. mit einer Pulsdauer von mindestens 1 ns. Dabei wird die verdichtete Schicht in der dem Sensorelement 12 abgewandten Außenseite der porösen Schicht 26 hergestellt. Die verdichtete Schicht 28 wird dabei so dünn wie technisch ausgebildet, beispielsweise mit einer Schichtdicke von nicht mehr als 50 µm und bevorzugt nicht mehr als 30 µm. Es versteht sich, dass die poröse Schicht 26 nur soweit verdichtet wird, dass diese noch gasdurchlässig ist.
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3 zeigt eine Draufsicht eines Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist die verdichtete Schicht 28 nur lokal auf der porösen Schicht 26 angeordnet. Genauer ist die verdichtete Schicht 28 nur in einem Bereich angeordnet, der bei einer Betrachtung senkrecht zu einer Oberfläche der porösen Schicht 26 und der ersten Elektrode 18 mit der ersten Elektrode 18 überlappt. Dadurch wird nur die empfindliche erste Elektrode 18 zuverlässig vor Wasserschlag geschützt, wohingegen der Rest der Thermoschockschutzschicht 24 porös und somit gasdurchlässig ist. Eventuell in die Thermoschockschutzschicht 24 eindringendes Wasser kann somit selbst im ungünstigsten Fall nur bis zu Bereichen des Sensorelements 12 vordringen, die weniger empfindlich gegenüber Wasserschlag sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzug, 1. Aufl., 2010, S. 160–165 [0002]
